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Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/35929
Tipo: Tese
Título: Evaluation of biodynamic models from walking tests for civil engineering applications
Autor(es): Silva, Rafaela Lopes da
Primeiro Orientador: Pimentel, Roberto Leal
Resumo: As vibrações estruturais provocadas por atividades humanas, como a caminhada, tornaram-se uma preocupação relevante no projeto estrutural, especialmente devido às baixas frequências naturais das estruturas modernas. Um aspecto central da dinâmica estrutural é a Interação Humano-Estrutura (IHS), que descreve os efeitos mútuos entre ocupantes e estruturas para pedestres, como passarelas e lajes. Nesse cenário, modelos de caminhada foram desenvolvidos para simular a IHS, atraindo interesse na Engenharia Civil. Focando no movimento vertical, surgiram os chamados modelos biodinâmicos para representar pedestres, variando de formulações matemáticas a representações cinemáticas do corpo. Entre os mais simples, destacam-se dois na investigação da IHS: o modelo de mola-massa-amortecedor (SMD) de um grau de liberdade (SDOF) e o modelo de pêndulo invertido bípede amortecido (DBIP). O modelo SMD representa a força de reação de piso (FRP) como uma força móvel acoplada em um único ponto de contato, enquanto o modelo DBIP calcula as FRPs a partir de parâmetros específicos e do movimento do modelo, considerando a posição relativa dos pés. Apesar de ambos reproduzirem forças de interação, os modelos DBIP, diferentemente dos modelos SMD, conseguem captar alterações no padrão da marcha induzidas por vibrações da superfície. Isso ocorre porque, nos modelos DBIP, a frequência de passo emerge do movimento, e não como dado de entrada. Nesse contexto, este estudo buscou avaliar ambos os modelos em aplicações na Engenharia Civil com base em testes de caminhada. A performance dos modelos SMD e DBIP foi inicialmente analisada por meio de uma formulação de IHS aplicada a dados experimentais de aceleração estrutural de duas passarelas flexíveis. Enquanto os modelos SMD apresentaram um bom desempenho, os modelos DBIP tenderam a superestimar a resposta estrutural devido aos altos valores dos fatores dinâmicos de carga (DLFs), mesmo reproduzindo corretamente velocidades e frequências dos passos. Estudos adicionais com os modelos DBIP foram conduzidos com dados cinéticos e cinemáticos obtidos em testes de caminhada sobre uma plataforma móvel com placas de força. Em superfícies rígidas, os resultados de três participantes confirmaram que os modelos DBIP superestimam os DLFs, ainda que representem bem as velocidades e frequências experimentais. Contudo, esses modelos conseguem prever variações nas forças aplicadas em função das vibrações – o que não ocorre nos modelos SMD, pois suas FRPs são definidas previamente. Além disso, análises experimentais em superfície móvel mostraram que alterações significativas nas forças aplicadas podem ocorrer, dependendo dos níveis de deslocamento vertical e da posição da superfície no instante do contato do pé – fatores ignorados por normas e diretrizes atuais de projeto estrutural.
Abstract: Structural vibrations induced by human activities, such as walking, have become a significant concern from a design perspective, especially due to modern structures featuring low natural frequencies. A key aspect of this field in dynamics is the Human-Structure Interaction (HSI) phenomenon, which refers to the feedback loop between occupants and pedestrian structures, such as footbridges and floors. In this context, human walking models designed to simulate HSI have gained interest for civil engineering applications. Focusing on walking in the vertical direction, so-called biodynamic models have been introduced to represent pedestrians, with approaches ranging from mathematical assumptions to kinematic representations of the body. Among the simplest biodynamic models, two approaches stand out in HSI investigations: the single-degree-of-freedom (SDOF) spring-mass-damper (SMD) model and the damped bipedal inverted pendulum (DBIP) model. While the SMD model approximates the ground reaction force (GRF) transmitted to the structure as a coupled moving force acting at a single contact point, the DBIP model calculates GRFs based on selected parameters and the model’s motion, transmitting them to the ground while accounting for the relative position of both feet during walking. Despite both models being capable of reproducing interaction forces, DBIP models, unlike SMD models, have the potential to capture changes in walking patterns due to surface vibrations. This is because, in DBIP models, the step frequency is not an input parameter but rather a consequence of the model’s motion. In this context, this study aimed to evaluate both models for civil engineering applications based on walking tests. The performance of SMD and DBIP models was initially analysed by applying an HSI formulation using experimental structural acceleration time-history data from two lively footbridges. While SMD models performed well, DBIP models tended to overestimate the structural response due to the high values of dynamic load factors (DLFs) produced, even while accurately reproducing the walking speed and step frequency pairs. Further investigations of DBIP models were conducted using kinetic and kinematic data from experimental walking tests performed on a moving platform equipped with force plates. In rigid surface scenarios, results from three test subjects confirmed that DBIP models tend to overestimate DLFs while simultaneously reproducing experimental walking speeds and step frequencies. However, these models could qualitatively predict trends in variations of applied forces due to surface vibrations – something not possible with SMD models, as their GRFs are predefined inputs. Additionally, experimental insights from moving surface scenarios highlighted that significant changes in applied forces can occur, depending on the surface’s vertical displacement levels and its vertical position at the moment of foot contact – factors neglected by existing guidelines and standards adopted for the design of structures.
Palavras-chave: Vibrações estruturais
Interação humano-estrutura
Modelos biodinâmicos
Structural vibrations
Human-structure interaction
Biodynamic models
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal da Paraíba
Sigla da Instituição: UFPB
Departamento: Engenharia Civil e Ambiental
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil e Ambiental
Tipo de Acesso: Acesso aberto
Attribution-NoDerivs 3.0 Brazil
URI: http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/35929
Data do documento: 29-Abr-2025
Aparece nas coleções:Centro de Tecnologia (CT) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil e Ambiental

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